Les travaux réalisés au cours de cette thèse s'inscrivent dans la problématique de localisation en temps réel d'une caméra par vision monoculaire. Dans la littérature, il existe différentes méthodes qui peuvent être classées en trois catégories. La première catégorie de méthodes considère une caméra évoluant dans un environnement complètement inconnu (SLAM). Cette méthode réalise une reconstruction enligne de primitives observées dans des images d'une séquence vidéo et utilise cette reconstruction pour localiser la caméra. Les deux autres permettent une localisation par rapport à un objet 3D de la scène en s'appuyant sur la connaissance, a priori, d'un modèle de cet objet (suivi basé modèle). L'une utilise uniquement l'information du modèle 3D de l'objet pour localiser la caméra, l'autre peut être considérée comme l'intermédiaire entre le SLAM et le suivi basé modèle. Cette dernière méthode consiste à localiser une caméra par rapport à un objet en utilisant, d'une part, le modèle de ce dernier et d'autre part, une reconstruction en ligne des primitives de l'objet d'intérêt. Cette reconstruction peut être assimilée à une mise à jour du modèle initial (suivi basé modèle avec mise à jour). Chacune de ces méthodes possède des avantages et des inconvénients. Dans le cadre de ces travaux de thèse, nous proposons une solution unifiant l'ensemble de ces méthodes de localisation dans un unique cadre désigné sous le terme de SLAM contraint. Cette solution, qui unifie ces différentes méthodes, permet de tirer profit de leurs avantages tout en limitant leurs inconvénients respectifs. En particulier, nous considérons que la caméra évolue dans un environnement partiellement connu, c'est-à-dire pour lequel un modèle (géométrique ou photométrique) 3D d'un objet statique de la scène est disponible. L'objectif est alors d'estimer de manière précise la pose de la caméra par rapport à cet objet 3D. L'information absolue issue du modèle 3D de l'objet d'intérêt est utilisée pour améliorer la localisation de type SLAM en incluant cette information additionnelle directement dans le processus d'ajustement de faisceaux. Afin de pouvoir gérer un large panel d'objets 3D et de scènes, plusieurs types de contraintes sont proposées dans ce mémoire. Ces différentes contraintes sont regroupées en deux approches. La première permet d'unifier les méthodes SLAM et de suivi basé modèle, en contraignant le déplacement de la caméra via la projection de primitives existantes extraites du modèle 3D dans les images. La seconde unifie les méthodes SLAM et de suivi basé modèle avec mise à jour en contraignant les primitives reconstruites par le SLAM à appartenir à la surface du modèle (unification SLAM et mise à jour du modèle). Les avantages de ces différents ajustements de faisceaux contraints, en terme de précision, de stabilité de recalage et de robustesse aux occultations, sont démontrés sur un grand nombre de données de synthèse et de données réelles. Des applications temps réel de réalité augmentée sont également présentées sur différents types d'objets 3D. Ces travaux ont fait l'objet de 4 publications internationales, de 2 publications nationales et d'un dépôt de brevet.

Ce mémoire décrit mes travaux de thèse de doctorat menés au sein de l’équipe ComSee (Computers that See) rattachée à l’axe ISPR (Image, Systèmes de Perception et Robotique) de l’Institut Pascal. Celle-ci a été financée par la Région Auvergne et le Fonds Européen de Développement Régional. Les travaux présentés s’inscrivent dans le cadre d’applications de localisation pour la robotique mobile et la Réalité Augmentée. Le framework réalisé au cours de cette thèse est une approche générique pour l’implémentation d’applications de SLAM : Simultaneous Localization And Mapping (algorithme de localisation par rapport à un modèle simultanément reconstruit). L’approche intègre une multitude de contraintes dans les processus de localisation et de reconstruction. Ces contraintes proviennent de données capteurs mais également d’a priori liés au contexte applicatif. Chaque contrainte est utilisée au sein d’un même algorithme d’optimisation afin d’améliorer l’estimation du mouvement ainsi que la précision du modèle reconstruit. Trois problèmes ont été abordés au cours de ce travail. Le premier concerne l’utilisation de contraintes sur le modèle reconstruit pour l’estimation précise d’objets 3D partiellement connus et présents dans l’environnement. La seconde problématique traite de la fusion de données multi-capteurs, donc hétérogènes et asynchrones, en utilisant un unique algorithme d’optimisation. La dernière problématique concerne la génération automatique et efficace d’algorithmes d’optimisation à contraintes multiples. L’objectif est de proposer une solution temps réel 1 aux problèmes de SLAM à contraintes multiples. Une approche générique est utilisée pour concevoir le framework afin de gérer une multitude de configurations liées aux différentes contraintes des problèmes de SLAM. Un intérêt tout particulier a été porté à la faible consommation de ressources (mémoire et CPU) tout en conservant une grande portabilité. De plus, la méta-programmation est utilisée pour générer automatiquement et spécifiquement les parties les plus complexes du code en fonction du problème à résoudre. La bibliothèque d’optimisation LMA qui a été développée au cours de cette thèse est mise à disposition de la communauté en open-source. Des expérimentations sont présentées à la fois sur des données de synthèse et des données réelles. Un comparatif exhaustif met en évidence les performances de la bibliothèque LMA face aux alternatives les plus utilisées de l’état de l’art. De plus, le framework de SLAM est utilisé sur des problèmes impliquant une difficulté et une quantité de contraintes croissantes. Les applications de robotique mobile et de Réalité Augmentée mettent en évidence des performances temps réel et un niveau de précision qui croît avec le nombre de contraintes utilisées. / This report describes my thesis work conducted within the ComSee (Computers That See) team related to the ISPR axis (ImageS, Perception Systems and Robotics) of Institut Pascal. It was financed by the Auvergne Région and the European Fund of Regional Development. The thesis was motivated by localization issues related to Augmented Reality and autonomous navigation. The framework developed during this thesis is a generic approach to implement SLAM algorithms : Simultaneous Localization And Mapping. The proposed approach use multiple constraints in the localization and mapping processes. Those constraints come from sensors data and also from knowledge given by the application context. Each constraint is used into one optimization algorithm in order to improve the estimation of the motion and the accuracy of the map. Three problems have been tackled. The first deals with constraints on the map to accurately estimate the pose of 3D objects partially known in the environment. The second problem is about merging multiple heterogeneous and asynchronous data coming from different sensors using an optimization algorithm. The last problem is to write an efficient and real-time implementation of the SLAM problem using multiple constraints. A generic approach is used to design the framework and to generate different configurations, according to the constraints, of each SLAM problem. A particular interest has been put in the low computational requirement (in term of memory and CPU) while offering a high portability. Moreover, meta-programming techniques have been used to automatically and specifically generate the more complex parts of the code according to the given problem. The optimization library LMA, developed during this thesis, is made available of the community in open-source. Several experiments were done on synthesis and real data. An exhaustive benchmark shows the performances of the LMA library compared to the most used alternatives of the state of the art. Moreover, the SLAM framework is used on different problems with an increasing difficulty and amount of constraints. Augmented Reality and autonomous navigation applications show the good performances and accuracies in multiple constraints context.

Les travaux réalisés au cours de cette thèse s’inscrivent dans la problématique de localisation en temps réel d’une caméra par vision monoculaire. Dans la littérature, il existe différentes méthodes qui peuvent être classées en trois catégories. La première catégorie de méthodes considère une caméra évoluant dans un environnement complètement inconnu (SLAM). Cette méthode réalise une reconstruction enligne de primitives observées dans des images d’une séquence vidéo et utilise cette reconstruction pour localiser la caméra. Les deux autres permettent une localisation par rapport à un objet 3D de la scène en s’appuyant sur la connaissance, a priori, d’un modèle de cet objet (suivi basé modèle). L’une utilise uniquement l’information du modèle 3D de l’objet pour localiser la caméra, l’autre peut être considérée comme l’intermédiaire entre le SLAM et le suivi basé modèle. Cette dernière méthode consiste à localiser une caméra par rapport à un objet en utilisant, d’une part, le modèle de ce dernier et d’autre part, une reconstruction en ligne des primitives de l’objet d’intérêt. Cette reconstruction peut être assimilée à une mise à jour du modèle initial (suivi basé modèle avec mise à jour). Chacune de ces méthodes possède des avantages et des inconvénients. Dans le cadre de ces travaux de thèse, nous proposons une solution unifiant l’ensemble de ces méthodes de localisation dans un unique cadre désigné sous le terme de SLAM contraint. Cette solution, qui unifie ces différentes méthodes, permet de tirer profit de leurs avantages tout en limitant leurs inconvénients respectifs. En particulier, nous considérons que la caméra évolue dans un environnement partiellement connu, c’est-à-dire pour lequel un modèle (géométrique ou photométrique) 3D d’un objet statique de la scène est disponible. L’objectif est alors d’estimer de manière précise la pose de la caméra par rapport à cet objet 3D. L’information absolue issue du modèle 3D de l’objet d’intérêt est utilisée pour améliorer la localisation de type SLAM en incluant cette information additionnelle directement dans le processus d’ajustement de faisceaux. Afin de pouvoir gérer un large panel d’objets 3D et de scènes, plusieurs types de contraintes sont proposées dans ce mémoire. Ces différentes contraintes sont regroupées en deux approches. La première permet d’unifier les méthodes SLAM et de suivi basé modèle, en contraignant le déplacement de la caméra via la projection de primitives existantes extraites du modèle 3D dans les images. La seconde unifie les méthodes SLAM et de suivi basé modèle avec mise à jour en contraignant les primitives reconstruites par le SLAM à appartenir à la surface du modèle (unification SLAM et mise à jour du modèle). Les avantages de ces différents ajustements de faisceaux contraints, en terme de précision, de stabilité de recalage et de robustesse aux occultations, sont démontrés sur un grand nombre de données de synthèse et de données réelles. Des applications temps réel de réalité augmentée sont également présentées sur différents types d’objets 3D. Ces travaux ont fait l’objet de 4 publications internationales, de 2 publications nationales et d’un dépôt de brevet. / This thesis tackles the problem of real time location of a monocular camera. In the literature, there are different methods which can be classified into three categories. The first category considers a camera moving in a completely unknown environment (SLAM). This method performs an online reconstruction of the observed primitives in the images and uses this reconstruction to estimate the location of the camera. The two other categories of methods estimate the location of the camera with respect to a 3D object in the scene. The estimation is based on an a priori knowledge of a model of the object (Model-based). One of these two methods uses only the information of the 3D model of the object to locate the camera. The other method may be considered as an intermediary between the SLAM and Model-based approaches. It consists in locating the camera with respect to the object of interest by using, on one hand the 3D model of this object, and on the other hand an online reconstruction of the primitives of the latter. This last online reconstruction can be regarded as an update of the initial 3D model (Model-based with update). Each of these methods has advantages and disadvantages. In the context of this thesis, we propose a solution in order to unify all these localization methods in a single framework referred to as the constrained SLAM, by taking parts of their benefits and limiting their disadvantages. We, particularly, consider that the camera moves in a partially known environment, i.e. for which a 3D model (geometric or photometric) of a static object in the scene is available. The objective is then to accurately estimate the pose (position and orientation) of the camera with respect to this object. The absolute information provided by the 3D model of the object is used to improve the localization of the SLAM by directly including this additional information in the bundle adjustment process. In order to manage a wide range of 3D objets and scenes, various types of constraints are proposed in this study and grouped into two approaches. The first one allows to unify the SLAM and Model-based methods by constraining the trajectory of the camera through the projection, in the images, of the 3D primitives extracted from the model. The second one unifies the SLAM and Model-based with update methods, by constraining the reconstructed 3D primitives of the object to belong to the surface of the model (unification SLAM and model update). The benefits of the constrained bundle adjustment framework in terms of accuracy, stability, robustness to occlusions, are demonstrated on synthetic and real data. Real time applications of augmented reality are also presented on different types of 3D objects. This work has been the subject of four international publications, two national publications and one patent.